Nawigacyjne Systemy Satelitarnearchitektura

dr inż. Stefan Jankowski

s.jankowski@am.szczecin.pl

Nawigacyjne systemy satelitarne

• Sysetmy regionalne• QZSS / JRNSS• NavIC / IRNSS

• Systemy globalne• GPS• GLONASS• BEIDOU• GALILEO

• Systemy wspomagające (augmentation)• EGNOS• WAAS• MSAS• GAGAN

Systemy wspomagające / Augmentation systems

• Systemy wspomagające (GNSS augmentation) to metoda poprawy właściwości systemu nawigacyjnego, takich jak dokładność, niezawodność i dostępność, poprzez integrację zewnętrznych informacji w procesie obliczeniowym, na przykład:• Satellite Based Augmentation System - SBAS

• the Wide Area Augmentation System,

• the European Geostationary Navigation Overlay Service,

• the Multi-functional Satellite Augmentation System,

• GPS Aided GEO Augmented Navigation (GAGAN)

• Differential GPS - DGPS

• inertial navigation systems – nawigacja inercyjna

GNSS - Architektura

Każdy nawigacyjny system satelitarny skłąda się z trzech podstawowych komponentów (segmentów):

• Segment kosmiczny – konstelacja sztucznych satelitów Ziemi transmitujących sygnały radiowe

• Segment naziemny – obiekty oraz infrastruktura zlokalizowana na powierzchni Ziemi, odpowiedzialna za monitorowanie oraz sterowanie (kontrolę) segmentu kosmicznego (satelitów): pozycji na orbitach oraz oprawności sygnałów radiowych nadawanych przez te satelity

• Segment użytkownika – każdy odbiornik mogący wykorzystać sygnał transmitowany przez satelity nawigacyjnego systemu satelitarnego

QZSS - konstelacja

Quasi –Zenith Satellite System

• Regionalny system satelitary

• Poprawia zasięg / dostępność sygnałów GPS w Japonii, zwłaszcza w obszarach górzystych i zurbanizowanych

• Pierwszego demonstracyjnego satelitę wystrzelono we wrześniu 2010

• Pełna konstelacja• 3 satelity GEO

• Środkowa długość geogr. 123° E

• 4 satelity GSO (HEO Highly Elliptical Orbit)• inklinacja (i)43 ± 4 °• Półoś wielka (a) 42.3 tys. km• ekscentryczność (e) 0.075 ± 0.015 – wysokości:

perygeum 32 tys. km, apogeum 40 tys. km• Środkowa długość geogr. 135° E ± 5°• 13h na północnej półkuli oraz 11h na południowej

135° E

43° N

43° S

QZSS - konstelacja

http://qzss.go.jp/en/technical/satellites/index.html#QZSS

QZSS – segment naziemny

• Segment naziemny składa się z: • a master control station (MCS) – stacji głównej,

• tracking control stations (TT&C) – stacji śledząco-sterujących,

• laser ranging stations and monitoring stations – stacji monitorujących i mierzących laserowo odległość.

• Sieć stacji monitorujących pokrywa swoim zasięgiem Wschodnią Azję i Oceanię za pomocą stacji:• w Japonii: (Okinawa, Sarobetsu, Koganei, Ogasawara) oraz

• Poza Japonią: Bangalore (India), Guam, Canberra (Australia), Bangkok (Thailand) i Hawaii (USA).

• Stacja główna jest odpowiedzialna za tworzenie wiadomości nawigacyjnych, które następnie są przesyłane na satelity QZSS poprzez stację TT&C znajdującą się w Okinawie.

QZSS – sygnały radiowe

System QZSS transmituje 6 sygnałów:

• L1-C/A (1575.42 MHz): Używany w połączeniu z GNSS; zwiększa dostępność serwisów pozycjonowania i pomiaru czasu (PNT services)

• L1C (1575.42 MHz): Używany w połączeniu z GNSS; zwiększa dostępność serwisów pozycjonowania i pomiaru czasu (PNT services)

• L2C (1227.6 MHz): Używany w połączeniu z GNSS; zwiększa dostępność serwisów pozycjonowania i pomiaru czasu (PNT services)

• L5 (1176.45 MHz): Używany w połączeniu z GNSS; zwiększa dostępność serwisów pozycjonowania i pomiaru czasu (PNT services)

• L1-SAIF (1575.42 MHz): zwiększa dokładność do 1 m; interoperacyjna z GPS-SBAS Submeter-class Augmentation; interoperable with GPS-SBAS.

• LEX (1278.75 MHz): eksperymentalny sygnał QZSS zapewniający usługę pozycjonowania z dużą dokładnością (do 3 cm); Kompatybilny z sygnałem E6 systemu Galileo

QZSS - usługi

Przy pełnej operacyjności QZSS będzie zapewniał następujące usługi:

• Pozycjonowanie:• Satellite Positioning Service: zapewniająca tą samą dokładność co satelity

systemu GPS (pomimo obszarów zurbanizowanych i górzystych)

• Sub-Meter Level Augmentation Service: z dokładnością około 2-3 metrów

• Centimeter Level Augmentation Service: z bardzo wysoką dokładnością około 10 centimetrów (usługa płatna)

• Position Technology Verification Services: zapewniającą demonstrację aplikacji dla nowych technologii pozycjonowania

• Powiadamianie:• Short Message Delivery Service: zapewniającą powiadamianie użytkowników

w sytuacjach kryzysowych (katastrofy) oraz ratowania

NAVIC - Navigation with Indian Constellation

Indyjski nawigacyjny system satelitarny NavIC

• Jest autonomicznym regionalnym satelitarnym systemem nawigacyjnym zapewniającym dokładne pozycjonowanie w czasie rzeczywistym oraz pomiar czasu

• Pokrywa swoim zasięgiem obszar Indii z pasem 1500 km wokół jej granic; planowane jest zwiększenie zasięgu (Latitude 30° S to 50° N, Longitude 30° E to 130° E)

• Obecnie system składa się z konstelacji 7 satelitów z dodatkowymi dwoma na powierzchni gotowymi do wystrzelenia:• 3 GEO satelity na długości geogr.: 34 °E, 83 °E, 132 °E

• 4 GSO satelity o inklinacji 29° i długościach geogr.: 55 °E, 111 °E

NavIC – konstelacja

NavIC - konstelacja

30° E

29° N

29° S

130° E

30° S

50° N

34° E

55° E 83° E

111° E 132° E

NavIC – segment naziemny

IRNSS elementy składowe:

• IRSCF (IRNSS Satellite Control Facility)IRSCF kontroluje segment kosmiczny poprzez sieć śledzącą telemetrycznie i dowodzącą (Telemetry Tracking & Command network). Poza regularnymi działaniami TT&C, IRSCF również przesyła na satelity parametry nawigacyjne wypracowane przez INC

• IRTTC (IRNSS TTC and Land Uplink Stations)

• IRSCC (IRNSS Satellite Control Center)

• IRIMS (IRNSS Range and Integrity Monitoring Stations)IRIMS wykonuje ciągły jednostronny pomiar odległości do satelitów oraz określa wiarygodność (inegrity) konstelacji satelitów

• INC (ISRO Navigation Center), zlokalizowany w Byalalu. INC jest ośrodkiem centralnym przede wszystkim tworzy parametry nawigacyjne dla satelitów

• IRDCN (IRNSS Data Communication Network). IRDCN zapewnia wymaganą podstawę dla komunikacji cyfrowej w sieci IRNSS

NavIC – segment naziemny

• Siedemnaście stacji IRIMS będzie rozlokowanych na terenie całego kraju w celu określania parametrów orbit oraz modelowania jonosfery

• Cztery stacje do pomiaru odległości, oddzielone szerokimi i długimi liniami bazowymi będą zapewniać dwustronny pomiar odległości za pomocą CDMA (Code Division Multiple Access)

• The IRNSS timing center będzie składać się z bardzo stabilnych zegarów. Centrum nawigacyjne odbiera wszystkie dane poprzez sieć komunikacyjną, przetwarza i transmituje informacje do satelitów

NAVIC - archtektura

ISRO Navigation CentreIRNSS Spacecraft Control FacilityIRNSS Range and Integrity Monitoring StationsIRNSS Network Timing Centre

IRNSS CDMA Ranging StationsLaser Ranging StationsData Communication Network

NavIC – sygnały radiowe

Oczekuje się, że konstelacja IRNSS zapewni pozycję z dokładnością lepszą niż 20 m (2σ), na obszarze Indii oraz wokół jej granic w odległości 1500 km

System zapewni dwie usługi:

• Standardowy serwis pozycyjnySPS (Standard Positioning Service)

• Ograniczony serwis pozycyjnyRS (Restricted/Authorized Service)

Obie usługi będą dostarczane na dwóch częstotliwościach:

• W paśmie L5 oraz

• W paśmie S

BEIDOU

Chiński globalny nawigacyjny system satelitarny

• System będzie się składał z konstelacji 35 satelitów:• 5 GEO satelity na długościach geogr.: 58.75° E, 80° E, 110.5° E, 140° E oraz

160° E

• 3 GSO satelity o inklinacji 55° i długościach geogr.: 118 °E

• 27 satelitów MEO• wysokość 21500 km

• inklinacja 55 °

• Okres obiegu T = 7/13 (12 h 53 min 24 s)

https://www.glonass-iac.ru/en/guide/beidou.php

BeiDou - zasięg

Segment naziemny

• The BeiDou Ground Control Segment został zaprojektowany zgodnie z klasycznym zcentralizowanym schematem zawierającycm sięćjednokierunkowych stacji pomiarowych (network of one-way measuring stations)• Sieć tych stacji została rozmieszczona w całych Chinach

• W sposób ciągły monitorują sygnały nawigacyjne transmitowane ze wszystkich satelitów

• Wszystkie obserwacje są przez nie transmitowane do ośrodka centralnego (the system control center) gdzie zostają opracowywane

• Ośrodek centralny wypracowuje precyzyjne dane dotyczące orbit oraz zegarów dla każdego satelity, które następnie poprzez stację z antenami nadawczymi sa przesyłane na satelity

Beidou – ygnały radiowe

• BeiDou transmituje sygnały nawigacyjne na trzech częstotliwościach: B1, B2, and B3, które znajdują się podobnie jak pozostałych systemów GNSS w paśmie L

• W celu umożliwienia interoperacyjności z systemami Galileo i GPS Chiny ogłosiły przeniesienie cywilnego sygnału B1 z 1561.098 MHz do częstotliwości środkowej 1575.42 MHz — takiej samej jak sygnały cywilne GPS L1 oraz Galileo E1— oraz zmiany modulacji z kwadraturowej modulacji fazy (a quadrature phase shift keying -QPSK) na binarną modulację fazy (a multiplexed binary offset carrier -MBOC) podobnie jak przyszłe sygnały GPS L1C oraz Galileo E1.

GALILEO

• Galileo jest europejskim programem dla globalnego satelitarnego systemu nawigacyjnego, zapewniającego globalną usługę pozycjonowania o wysokiej dokładnościis, jak również interoperacyjność z systemami US GPS oraz Rosyjskim Glonass

• Nowoczesna i wydajna konstrukcja Galileo zwiększy europejską niezależność technologiczną oraz pomoże w ustanowianiumiędzynarodowych standardów dla globalnych nanigacyjnychsystemów satelitarnych (Global Navigation Satellite Systems - GNSS).

• Galileo jest rozwijany we współpracy Unii Europejskiej oraz Europejską Agencją Kosmiczną (the European Space Agency - ESA)

• Pierwszy “cywilny” GNSS

GALILEO – satellites constellation

• Pełna konstelacja Galileo będzie się składała z 24 (30) aktywnych satelitów oraz zapasowych

• Satelity zostaną rozmieszczone:• Na trzech płaszczyznach orbitalnych

• Pod kątem 56 do równika (inklinacja),

• Na wysokości 23 222 km,

• Pełny okres obiegu satelity wokół Ziemi wynosi około 14 godzin; T = 10/17 doby gwiazdowej

• GALILEO zapewni globalne pokrycie swoim zasięgie włącznie z rejonami polarnymi

• Niezależnie od miejsca na Ziemi co najmniej 4 satelity będą widoczne

GALILEO - konstelacja

http://qzss.go.jp/en/technical/satellites/index.html#Galileo

In operation

Outage

In commissioning

Mainenance

In testing

Spares

Time problem

Segment naziemnySegment naziemny Galileo jest jednym z najbardziej skomplikowanych przedsięwzięć podejmowanych przez Europę, który musi spełniać rygorystyczne poziomy wydajności, bezpieczeństwa i ochrony:

• Ground Mission Segment (GMS) - przetwarza dane z ogólnoświatowej sieci stacji monitorujących przez całą dobę, zapewniając wydajność nawigacyjną z dużą prędkością.GMS ma dwa miliony linii kodu oprogramowania, 500 funkcji wewnętrznych, 400 komunikatów i 600 sygnałów krążących w 14 różnych elementach.

• Ground Control Segment (GCS) – monitoruje i kontroluje konstelację satelitów w dużym stopniu zautomatyzowane

Obecnie GMS jest zlokalizowane w Fucino Control Centre we Włoszech, a GCS w Oberpfaffenhofen Control Centre w Niemczech.

W przyszłości będą dwa takie ośrodki o równoważnych możliwościach pracujących razem jako kopie zapasowe z snchronizacją danych w czasie reczywistym, druga w sposó płynny będzie mogła kontynuować działanie systemu w przypadku awarii pierwszej.

• Telemetry, Tracking and Command Stations – dwie w Kiruna in Sweden oraz Kourou in French Guiana.

• Uplink Stations – sieć stacji z możliwością przesyłania danych nawigacyjnych i związanych z integralnością na satelity

• Sensor Stations – globalna sieć zapewniajaca synchronizację zegarów oraz pomiary orbit

• Data Dissemination Network - zapewnia łączenie wszystkich obiektów naziemnych Galileo.

Sygnały radiowe

https://www.esa.int/spaceinimages/Images/2005/04/Each_Galileo_satellite_will_broadcast_10_different_navigation_signals

Każdy satelita będzie nadawał 10 różnych sygnałów nawigacyjnych umożliwiających oferowanie przez system Galileo następujących usług: the open (OS), safety-of-life (SOL), commercial (CS) and public regulated services (PRS)

GLONASS

• Rosyjski: ГЛОНАСС Глобальная навигационная спутниковая система; tranliteracja: Globalnaya navigatsionnaya sputnikovayasistema), lub

• "Global Navigation Satellite System",

• Oparty na konstelacji sztucznych satelitów system oferujący usługi radionawigacyjne

• Zapewnia alternatywę dla systemu GPS jako drugi w pełni operacyjny o zasięgu globalnym system z porównywalną dokładnością

GLONASS -konstelacja

Składa się z:

• 24 satelitów na 3 płaszczyznach orbitalnych

• Inklinacja orbit wynosi 66

• Wysokość orbit 19100 km

• Okres obiegu wokół Ziemi 8/17 doby gwiazdowej

GLONASS – konstelacja

https://www.glonass-iac.ru/en/GLONASS/

Segment naziemny

Segment naziemny prwie w całości rozmieszczony jest na terytorium byłego Związku Radzieckiego poza kilkoma stacjami w Brazylii

• Segment naziemny GLONASS składa się z:• centrum kontrolne systemu (system control center)

• Pięciu stacji do pomiarów telemetrycznych śledzenia i sterowania (Telemetry, Tracking and Command centers)

• Dwóch stacji laserowo mierzących odległości do satelitów (Laser Ranging Stations)

• Dziesięciu stacji monitorująco-pomierzających (Monitoring and Measuring Stations)

Segment naziemny

TT&C MSULSSCC SLRCC-M

Segment naziemny

Sygnały radiowe

GPS

• Global Positioning System jest systemem należącym do U.S., który zapewnia usługi pozycjonowania i pomiaru czasu swoim uzytkownikom

• Składa się z trzech segmentów: kosmicznego, kontrolnego (naziemnego) i użytkownika

• Siły powietrzne U.S. odpowiadają za rozwój, utrzymanie, działanie oraz zarządzają segmentem naziemnym i kosmicznym

GPS – konstelacja

• Satelity GPS umieszczone zostały na średnich orbitach Ziemi (MEO) na wysokości około 20,186 km

• Każdy satelita okrąża Ziemię dwukrotnie w ciągu doby gwiazdowej; okres obiegu wynosi ½ doby gwiazdowej (11h 58m 2.05s)

• Satelity GPS zostały rozlokowane na sześciu stałych, równo oddalonych od siebie płaszczyznach orbitalnych wokół Ziemi

• Inklinacja orbit wynosi 55

• Każda płaszczyzna orbitalna zawiera cztery „sloty”, w których umieszczono po jednym bazowym satelicie

• Taka konfiguracja 24 satelitów zapewnia, że w dowolnym miejscu na powierzchni Ziemi dostępnych jest co najmniej cztery satelity

GPS – dostępność SV w konstelacji 24

• Co 23h 56m 4.09s powtórzenie się konstelacji satelitów nad tym samym punktem Ziemi

• Rozkład satelitów zapewnia widoczność od 4 do 10 satelitów o każdej porze doby, w prawie każdym miejscu na powierzchni Ziemi

• Liczba widocznych satelitów zależy od szerokości geograficznej użytkownika

• Prawdopodobieństwo dostępności co najmniej 5 satelitów wynosi 0,9996

• Niektóre obszary – nie dłużej niż 20 min/doba nie można wyznaczyć pozycji 3D(dostępne tylko 3 satelity)

• 7.5 roku – średni czas życia SV

GPS – konstelacja 24+

• Obecnie konstelacja satelitów GPS nazywana jest 24+ (expandable 24), co oznacza, że 24 satelity są wystarczające do zapewnienia wydajności systemu, ale zazwyczaj satelitów jest więcej – do 32

• Dodatkowe satelity zwiększają możliwości systemu ale nie są wliczane d konstelacja podstawowej

Segment kontrolny

• Segment naziemny GPS składa się z globalnej sieci naziemnych obiektów które śledzą położenie satelitów, monitorują ich transmisje, przeprowadzają analizę tych danych oraz przesyłają na satelity rozkazy oraz dane

• Obecny Operational Control Segment (OCS) zawiera stację główną (a master control station), alternatywna stację główną (an alternate master control station), 11 anten sterowania i przesyłania informacji na satelity oraz 16 stacji monitorujących

Segment kontrolny

Master Control Station

• Zarządza i steruje konstelacją sztucznych satelitów GPS

• Używa danych zebranych z globalnej sieci stacji monitorujących do obliczania dokładnych pozycji satelitów

• Tworzy depesze nawigacyjne oraz przesyła je na satelity

• Monitoruje transmisje satelitów oraz integralność systemu w celu zapewnienia prawidłowego statusu konstelacji (health) oraz dokładności

• Utrzymuje satelity w odpowiednim stanie reagując na wszelkie anomalie, repozycjonuje satelity w celu zachowania optymalnej konfiguracji satelitów

• Obecnie używa dwóch oddzielnych systemów (AEP & LADO) do kontroli działających (operacyjnych) i niedziałających (non-operationa) satelitów

• Wspierana przez w pełni sprawną alternatywną stację główną

Master Control Station - AEP

Architecture Evolution Plan

The Air Force currently commands and controls the operational GPS constellation through a system called AEP. The system is capable of managing all of today's GPS satellites.

• AEP odnosi się do Planu rozwoju architektury wdrożonego w 2007 roku. Zgodnie z tym planem, Air Force zastąpiło swoją oryginalnągłówną stację kontroli GPS (opartą na mainframe) nową, opartą na nowoczesnych technologiach IT.

Master Control Station - AEP

• W 2014, AEP został zaktualizowany do obsługi zmodernizowanych funkcji nawigacji cywilnej (CNAV), umożliwiając satelitom GPS Bloku IIR-M i IIF emisję przedoperacyjnych komunikatów nawigacyjnych na sygnałach L2C i L5

• W 2016, the AEP COTS zmodernizowano linie bazowe sprzętu i oprogramowania, zwiększając bezpieczeństwo cybernetyczne i ulepszono pomoc techniczną, aby wesprzeć operacje w latach 2020

• W 2019, AEP zostanie zaktualizowany do sterowania i kontroli satelitów GPS III za pomocą programu operacji awaryjnych GPS III (Contingency Operations - COps)

• W 2020, AEP zostanie uaktualniony, aby zapewnić podstawowe możliwości zmodernizowanego sygnału wojskowego GPS, znanego jako M-Code, dla użytkowników wojskowych GPS, w ramach programu M-Code Early Use (MCEU)

Master Control Station - LADO

the Launch/early orbit, Anomaly resolution, and Disposal Operations system System usuwania anomalii przy wystrzeliwaniu / początkowych orbitach, i operacji utylizacji w celu obsługi niedziałających satelitów GPS (bloku IIF / IIR / IIR-M, IIF). Operacje te obejmują:

• Nowo uruchomione satelity będące w trakcie wprowadzania;

• Satelity (okresowo) wycofane z eksploatacji w celu rozwiązania problemu anomalii;

• Pozostałe satelity przechowywane na orbicie; i

• Satelity wymagające (stałego) wycofania z eksploatacji.

Obsługuje trzy podstawowe funkcje:

• Pomiary telemetryczne, śledzenie i kontrolę;

• Planowanie i wykonywanie przemieszczania satelitów; oraz

• Symulacja różnych zadań telemetrycznych dla ładunków i podsystemów GPS

Stacje monitorujące

• Śledzą satelity GPS przelatujące nad nimi

• Zbierają dane z sygnałów nawigacyjnych jak również z pomiarów odległości, częstotliwości nośnej oraz atmosferycznych

• Przekazują te dane i obserwacje do stacji głównej

• Wykorzystują zaawansowane odbiorniki GPS

• Zapewniają globalne pokrycie dzięki 16 stacjom: 6 należącym do sił powietrznych USA oraz 10 NGA (National Geospatial-Intelligence Agency )

• Inicjatywa ulepszania dokładności, ukończona w 2008 r., zwiększyła liczbę stacji monitorujących w segmencie sterowania operacyjnego GPS z sześciu do 16.

• To potroiło ilość danych zbieranych na temat orbit satelitów GPS, umożliwiając poprawę dokładności informacji transmitowanych przez satelity GPS o 10% do 15%

Anteny naziemne

• Przesyłają polecenia, dane nawigacyjne oraz oprogramowanie procesora na satelity

• Zbierają dane telemetryczne

• Komunikują się w paśmie S oraz wykonują pomiar odległości w paśmie S wspierając rozwiązywanie anomalii na początkowych (wczesnych) orbitach

• W skład wchodzą 4 dedykowane naziemne anteny GPS oraz 7 zdalnych stacji monitorowania należące do Air Force Satellite Control Network (AFSCN)

Segment naziemny

46Stacje monitorujące

• korekty błędów orbit i zegarów• tworzenie nowych depesz nawigacyjnych• aktualizacja co 2-4 godziny

MCSAnteny naziemne

Instytucje wspomagające

• AFSCF – Air Force Satelite Control Facility• nadzoruje działanie satelitów należących do USA

• USNO - US Naval Observatory• Oblicza standardowy czas UTC

• DMA – Defence Mapping Agency• Oblicza dane dla określania orbit satelitów

• Jet Propolution Laboratory• Obserwuje wpływ ciał niebieskich (głównie słońca i księżyca) na położenie

satelitów

Segment użytkownika

Wszystkie odbiorniki wykorzystujące sygnały transmitowane przez satelity. Można je podzielić na następujące grupy:

• W zależności od odbieranych sygnałów• cywilne

• Militarne / autoryzowane

• W zależności od typu odbiornika• samodzielne

• Zintegrowane / wbudowane w inne systemy

• W zależności od zastosowania, do:• Pozycjonowania

• Pomiaru czasu

• nawigacji: lotniczej, morskiej, lądowej etc.

• Badań geodezyjnych

• innych

Segment uzytkownikaOdbiorniki GNSS zawierają:

• Oprogramowanie do odbioru oraz zdekodowania sygnałów satelitarnych

• Oprogramowanie do wyznaczania pozycji

• Oprogramowanie zależne od zastosowania odbiornika

Stacjemonitorujące MCS

Antenynaziemne

The end